CN112720287B - 一种可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳，包括夹钳固定端、夹钳转动端、电磁装置、直线驱动器、导磁物质及钳口，所述钳口与夹钳转动端连接，所述直线驱动器的两端分别通过转动副与夹钳转动端及夹钳固定端连接；所述夹钳转动端通过转动副与夹钳固定端连接，使得直线驱动器的进给运动带动夹钳转动端实现钳口的转动自由度；导磁物质设置在电磁装置的有效吸附距离内，电磁装置通过吸附导磁物质使得夹钳转动端带动钳口实现夹持自由度。本发明解决了现有的微夹钳无转动自由度、实现成本高、以及夹持力过大可能造成的工件损坏问题。

Description

一种可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳

技术领域

本发明涉及一种微夹钳，具体涉及一种可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳。

背景技术

随着手机行业的迅速发展，手机的能源装置——电池行业也跟着蓬勃发展。在如今的手机电池生产线上，大部分工序已经被自动化的方式所取代。在电池的生产过程中，为了防止漏电，电池在生产完成后往往会在其极耳部分嵌入绝缘的塑壳保护套。然而由于塑壳尺寸过小、外形易变形、装配过程较为灵活，因此该工序依旧是采用传统的人工作业。这种方法耗时耗力，并严重影响产线的生产效率。

目前，大多数产线的装配方案均采用4轴SCARA机械臂搭配单自由度夹钳，其只能完成平面内的简单装配任务，而想要完成复杂的灵巧装配任务就必须增加自由度。一种有效的解决方案是使用6轴机械臂，但成本将会大大增加，违背了企业的经济原则。因此，如何设计一款适用于灵巧装配的多自由度微夹钳就成为了研究的重点。

中国专利申请CN105058366A提出了一种四自由度的夹钳方案，其特点是两个钳口均能实现夹持方向和垂直于夹持方向的动作。但是其仅增加了平动自由度，而且属于刚性夹钳，容易破坏物体结构；同时控制复杂、夹持行程小的问题，让其难以应用至柔性工件的装配；中国专利申请CN108000486A提出了一种三自由度柔顺压电微夹持器的方案，其特点是具有较大的夹持行程，且位移放大结构采用柔性铰链，可有效保护工件。然而其只是单纯增加了一个夹头，其本质上仍是纯平动输出，无法弥补SCARA机器人所缺失的转动自由度。

综上所述，现有的微夹钳存在缺少转动自由度、实现成本高以及作业时容易损坏工件等问题，不适用于如塑壳与电池极耳等灵巧柔性装配工序。因此，设计一款具有转动自由度的被动柔顺微夹钳，将能大大降低电池厂商的生产成本。

发明内容

为了克服现有技术中微夹钳无转动自由度、实现成本高以及作业时容易损坏工件等问题，本发明提供一种可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳。

本发明采用如下技术方案：

一种可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳，包括夹钳固定端、夹钳转动端、电磁装置、直线驱动器、导磁物质及钳口，所述钳口与夹钳转动端连接，所述直线驱动器的两端分别通过转动副与夹钳转动端及夹钳固定端连接；所述夹钳转动端通过转动副与夹钳固定端连接，使得直线驱动器的进给运动带动夹钳转动端实现钳口的转动自由度；导磁物质设置在电磁装置的有效吸附距离内，电磁装置通过吸附导磁物质使得夹钳转动端带动钳口实现夹持自由度。

进一步，所述夹钳转动端包括一个半桥式放大机构及两个杠杆放大机构，所述半桥式放大机构的输出端分别与两个对称设置的杠杆放大机构的输入端连接，两个杠杆放大机构的输出端作用于钳口。

进一步，还包括被动柔顺结构，设置在所述钳口与工件的接触面。

进一步，所述导磁物质设置在半桥式放大机构的输入端。

进一步，所述杠杆放大机构与钳口采用弹性结构连接。

进一步，半桥式放大机构、杠杆放大机构、钳口及弹性结构为一体化结构。

进一步，夹钳转动端与夹钳固定端连接的转动副靠近钳口，且不与工件发生碰撞。

进一步，所述电磁装置为电磁铁。

进一步，通过调整电磁装置与导磁物质之间的间隙或通过改变半桥式放大机构与杠杆放大机构的连接角度调整钳口的夹持力。

进一步，弹性结构具体为柔性铰链。

本发明的有益效果：

(1)本发明的可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳通过直线驱动器和三个转动副实现夹钳的转动自由度，突破了现阶段微夹钳只拥有平动自由度的限制；

(2)本发明的可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳以电磁装置产生输入位移，对比现有的压电驱动方式，其大大节省了成本和降低了使用难度。

(3)本发明的可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳采用细长弹性结构连接钳口和夹持臂，解决了因夹持力过大导致的被夹持工件损坏的问题。

(4)本发明的可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳采用硅胶作为被动柔顺装置，增加了夹钳的被动柔顺性能，提供了姿态在装配时的自适应调整功能，同时也解决了夹持接触面积不均匀所带来的应力集中问题。

附图说明

图1是本发明的整体结构三维图。

图2是本发明的夹钳转动端与夹钳固定端连接的转动副的装配示意图。

图3是本发明的直线驱动器的装配示意图。

图4是本发明的夹持过程的示意图。

图5是本发明的转动自由度实现示意图。

图6是本发明的被动柔顺原理图。

图7是本发明所夹持的塑壳的三维结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳，包括夹钳固定端1、夹钳转动端2、直线驱动器3、电磁装置4、导磁物质5、被动柔顺结构8、三个转动副、钳口10及弹性结构11；夹钳转动端包括半桥式放大机构6及两个杠杆放大机构7。

具体连接关系为：

所述直线驱动器3的两端分别通过两个转动副9-2与夹钳固定端1和夹钳转动端2连接，所述夹钳固定端1通过螺纹孔1-1与外部连接，夹钳转动端2与夹钳固定端通过转动副9-1连接，因此直线驱动器3的进给运动即可转换为夹钳转动端的转动运动。本装置通过直线驱动器及三个转动副实现钳口的转动自由度。

所述电磁装置4通过内六角螺钉401固定在夹钳转动端2的驱动设备安装面上。在电磁装置4的有效吸附距离内，导磁物质5被安装在电磁装置4吸附面的相对面，并与半桥式放大机构6相连，其被吸附时输出的位移作为半桥式放大机构6的输入。

所述夹钳转动端2包括一个半桥式放大机构6和两个杠杆放大机构7；半桥式放大机构6的输出端分别作用于两个对称的杠杆放大机构7的输入端，两个杠杆放大机构7将输出位移直接作用至钳口。钳口通过细长弹性结构11与杠杆放大机构相连接，两钳口的上下表面均放置有被动柔顺结构8。

本实施例中，直线驱动器竖直放置，上端通过转动副与夹钳固定端的左侧端连接，下端通过转动副与夹钳转动端连接，夹钳转动端为对称结构。

作为优选的技术方案，半桥式放大机构6、杠杆放大机构7、弹性结构11与钳口10为一体化结构。

作为优选的技术方案，被动柔顺结构8为硅胶，其黏连在夹钳转动端2的钳口处。当工件被夹持时，硅胶会自适应地扩大与工件表面的接触面积，防止应力集中。同时硅胶自身的柔性也可在装配时进行自适应调整，防止工件损坏。

作为优选的技术方案，转动副9-1的位置应在不与物体碰撞的前提下，尽可能地靠近钳口，以便更好地模拟出人工装配时塑壳的实际回转中心。

作为优选的技术方案，杠杆放大机构7与钳口处采用细长弹性结构连接，以免夹持力过大损坏被夹持物体，所述细长弹性结构具体为柔性铰链。

作为优选的技术方案，电磁装置为电磁铁，其控制简单，成本低。

如图2所示，转动副9-1的实现方式为：夹钳转动端2通过钳口左上方的通孔203与铜套202过盈配合；阶梯轴小端206嵌入铜套202中，作为转动轴；阶梯轴大端207嵌入夹钳固定端通孔处，并在右端螺纹孔204处用尖端紧定螺钉205进行紧固；阶梯轴的阶梯面与铜套后端面接触，以限制其负向轴向位移；轴端挡圈201卡入阶梯轴小端的沟槽内，与铜套前端面接触，以限制其正向轴向位移。其中，夹钳转动端的前端面与夹钳固定端的前端面位于同一平面内，减小后续夹钳的标定误差；应特别注意，铜套202的位置应在不与物体碰撞的前提下，尽可能地靠近钳口，以便更好地模拟出人工装配时塑壳的实际回转中心。

如图3所示，直线驱动器3的上下两端面均安装有鱼眼接头301。鱼眼接头301嵌入连接块304定位槽303中，利用内六角螺钉302将两者紧固。连接块304的定位凸台305套入夹钳固定端1的定位孔307中，并在夹钳固定端1上端面的螺纹孔306处旋入尖端紧定螺钉308，对连接块304进行紧固。本发明的直线驱动器主要起到转动作用以及连接夹钳固定端1和夹钳转动端2的作用。

如图4所示，所述电磁装置4通过内六角螺钉401固定在夹钳转动端2之内。在电磁装置4的有效吸附距离内，导磁物质5被安装在电磁装置4吸附面的相对面，并与半桥式放大机构6相连，其被吸附时会带动半桥放大机构6的输入端向左偏移，此时半桥式放大机构6的输出端会往对称轴方向偏移，此偏移位移将直接作为输入位移作用于两个沿中心轴线对称分布的杠杆放大机构7的输入端，两个杠杆放大机构7接收到输入位移时，会将位移二次放大，并通过细长弹性结构11输出至钳口，完成单次夹持动作。细长弹性结构11可有效缓冲夹持力，防止被夹持工件受压而引起的工件损坏。装配任务完成时，可断开电磁装置的电，此时整个夹钳转动端的内部结构将会在柔性铰链的作用下完成复位动作，即钳口恢复至初始状态。其中，本发明在安装导磁物质时，可直接用M3双面胶或502胶水进行粘贴，需要注意的是，若想达到最佳夹持效果，必须满足以下条件：

导磁物质5的吸附面尺寸必须大于等于电磁装置4的吸附面尺寸，否则所产生的电磁力将不足以将导磁物质5吸附；

导磁物质5的吸附面厚度必须大于1mm，否则所产生的电磁力将不足以将导磁物质5吸附；

导磁物质5的吸附面必须足够光滑，否则所产生的电磁力将不足以将导磁物质5吸附；

导磁物质5与电磁装置4之间的安装间隙必须在电磁装置4的有效吸附距离以内，否则所产生的电磁力将不足以将导磁物质5吸附；

若想改变夹持力，可以通过调整电磁装置4与导磁物质5之间的间隙来控制；亦可通过改变半桥式放大机构6的与杠杆放大机构7的连接角度来控制。

如图5所示，所述直线驱动器3的固定端通过转动副9-2与夹钳固定端1相连，直线驱动器3的推杆端通过转动副9-2与夹钳转动端2相连。夹钳转动端2与夹钳固定端1通过转动副9-1连接。当直线驱动器3进行往复伸缩运动时，夹钳转动端2会以转动副9-1为回转中心进行转动，而两个转动副9-2则作为从动机构进行转动。至此，夹钳的转动自由度得以实现。

作为本发明的优选实施方式，在执行装配任务时应先将钳口10移至被夹持物体处，电磁铁4通电，此时工件12被夹取；利用外部视觉机构测量工件12此时的姿态，并利用夹钳的转动自由度调整工件姿态；移动夹钳，如图6所示，使工件12下表面与待装配物体601的边线接触；夹钳沿水平方向进给，此时工件会在硅胶8的作用下进行自适应的姿态调整；继续向前进给，直至工件12与待装配物体601达到理想装配状态后，电磁铁4断电，夹钳恢复初始状态，至此夹钳完成一次装夹任务。

本发明主要作为系统中的执行机构；本发明主要适用对象为需要进行灵活装配的柔性微小物件，如图7所示如手机锂电池的极耳与绝缘塑壳之间的装配；本发明的夹钳具有结构紧凑，经济合理，操作方便等特点，可广泛应用于各电池厂商的自动化装配产线，具有巨大的应用潜力。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳，其特征在于，包括夹钳固定端、夹钳转动端、电磁装置、直线驱动器、导磁物质及钳口，所述钳口与夹钳转动端连接，所述直线驱动器的两端分别通过转动副与夹钳转动端及夹钳固定端连接；所述夹钳转动端通过转动副与夹钳固定端连接，使得直线驱动器的进给运动带动夹钳转动端实现钳口的转动自由度；导磁物质设置在电磁装置的有效吸附距离内，电磁装置通过吸附导磁物质使得夹钳转动端带动钳口实现夹持自由度；

夹钳转动端与夹钳固定端连接的转动副实现方式为：夹钳转动端通过钳口左上方的通孔与铜套过盈配合；阶梯轴小端嵌入铜套中，作为转动轴；阶梯轴大端嵌入夹钳固定端通孔处，并在右端螺纹孔处用尖端紧定螺钉进行紧固；阶梯轴的阶梯面与铜套后端面接触，以限制其负向轴向位移；轴端挡圈卡入阶梯轴小端的沟槽内，与铜套前端面接触，以限制其正向轴向位移；

夹钳转动端与夹钳固定端连接的转动副靠近钳口，且不与工件发生碰撞。

2.根据权利要求1所述的一种可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳，其特征在于，所述夹钳转动端包括一个半桥式放大机构及两个杠杆放大机构，所述半桥式放大机构的输出端分别与两个对称设置的杠杆放大机构的输入端连接，两个杠杆放大机构的输出端作用于钳口。

3.根据权利要求1-2任一项所述的一种可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳，其特征在于，还包括被动柔顺结构，设置在所述钳口与工件的接触面。

4.根据权利要求2所述的一种可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳，其特征在于，所述导磁物质设置在半桥式放大机构的输入端。

5.根据权利要求2所述的一种可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳，其特征在于，所述杠杆放大机构与钳口采用弹性结构连接。

6.根据权利要求5所述的一种可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳，其特征在于，半桥式放大机构、杠杆放大机构、钳口及弹性结构为一体化结构。

7.根据权利要求1所述的一种可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳，其特征在于，所述电磁装置为电磁铁。

8.根据权利要求2所述的一种可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳，其特征在于，通过调整电磁装置与导磁物质之间的间隙或通过改变半桥式放大机构与杠杆放大机构的连接角度调整钳口的夹持力。

9.根据权利要求5所述的一种可转动的二自由度电磁驱动被动柔顺微夹钳，其特征在于，弹性结构具体为柔性铰链。

Images